Se presenta un elemento radiante de banda ancha con forma de grano de café para agrupaciones de guía de ondas ranuradas con polarización circular. La solución propuesta se basa en un polarizador muy sencillo destinado a ser integrado en antenas planas en la banda de ondas milimétricas. Para su validación, se toma como alimentador una agrupación de ranuras conectadas por una red corporativa. En este trabajo se presentan resultados simulados utilizando condiciones de contorno periódicas en la celda unidad. Los resultados preliminares muestran un ancho de banda de frecuencia de 4 GHz con un coeficiente de reflexión por debajo de -10 dB. Cabe destacar la buena pureza de polarización conseguida, al obtener una relación axial por debajo de 1.5 dB de 29 GHz a 31 GHz y por debajo de 3 dB en toda la banda de interés (28 a 32 GHz).Este trabajo ha sido apoyado por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades con el proyecto PID2019-107688RB-C22

Ferrando-Rocher, Miguel

Spanish

Repositorio Institucional de la Universidad de Alicante

1Elemento radiante de banda ancha en forma degrano de café para guı́as de onda ranuradas conpolarización circularMiguel Ferrando-Rocher1,2,1Antennas and Propagation Laboratory (APL-iTEAM), Universitat Politècnica de València, Spain2Microwave and Applied Computational Electromagnetics Group (GMECA), Universidad de Alicante, SpainAbstract—Se presenta un elemento radiante de banda anchacon forma de grano de café para agrupaciones de guı́a de ondasranuradas con polarización circular. La solución propuesta sebasa en un polarizador muy sencillo destinado a ser integradoen antenas planas en la banda de ondas milimétricas. Parasu validación, se toma como alimentador una agrupación deranuras alimentadas por una red corporativa. En este trabajose presentan resultados simulados utilizando condiciones de con-torno periódicas en la celda unidad. Los resultados preliminaresmuestran un ancho de banda de frecuencia de 4 GHz con uncoeficiente de reflexión por debajo de −10 dB. Cabe destacarla buena pureza de polarización conseguida, manteniéndose pordebajo de 1.5 dB de 29 GHz a 31 GHz y por debajo de 3 dB entoda la banda de interés (28 a 32 GHz).Index Terms—Polarizacion circular, Tecnologı́a Gap waveg-uide, guı́as de onda ranuradas, banda Ka.I. INTRODUCCIÓNLas antenas de polarización circular (CP) en la banda demilimétricas han atraı́do recientemente la atención de la indus-tria debido a sus atractivas caracterı́sticas, como el aumentodel ancho de banda utilizable, la alta capacidad de carga y lacapacidad de soportar la transmisión instantánea de datos [1].Además, los sistemas 5G son hoy un tema candente y estánávidos de soluciones de bajo perfil, fácil fabricación, radiacióndirectiva y soluciones de alta ganancia [2]-[10]Frente a este contexto y como se indica en [11] existen tresestrategias bien conocidas para diseñar agrupaciones de ante-nas planas con polarización circular y con un adecuado anchode banda: esquemas de rotación secuencial [12], elementosradiantes CP de banda ancha alimentados por redes totalmentecorporativas [13], [14] o elementos radiantes de polarizaciónlineal (LP) junto con un convertidor LP a CP. Este trabajo secentra en una estrategia que sigue esta última opción.El método para convertir LP-a-CP resulta atractivo para lasconocidas antenas planas o FPA por sus siglas en inglés. Deeste modo, es fácil colocar el polarizador directamente en laFPA y transformar la polarización lineal en CP. Esencialmente,el polarizador descompone la onda plana incidente LP endos componentes ortogonales de amplitud casi igual conuna diferencia de fase de 90◦ para generar una onda planatransmitida con CP.(*) This text is a draft version.Fig. 1: Vista en perspectiva del elemento radiante.Fig. 2: Vista superior del polarizador en forma de grano de cafédonde se indican las dimensiones relevantes de la estructura.Aquı́ se presenta un polarizador muy sencillo y de bajo perfilque puede integrarse fácilmente en una FPA. Básicamente,el polarizador consiste en un parche circular, dividido endos partes iguales ligeramente desplazadas, que consigue unacaracterı́stica modal muy interesante. La novedad de estepolarizador radica en su simplicidad, bajo coste y facilidad defabricación e integración en FPAs, con posibles aplicacionespara comunicaciones por satélite en banda Ka.II. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LA CELDA UNIDADLa celda básica está formada por una estructura de dimen-siones 0.9×0.9 λ0. La longitud de onda del espacio libre (λ0)corresponde a la frecuencia central de trabajo, en este caso 10mm. Las capas del polarizador, que se muestran en la Fig. 1,se apilan como sigue. Una ranura rectangular actúa como2(a)(b)(c)Fig. 3: Distribución de la corriente para diferentes posicionesde las vainas de café.alimentador. Encima descansa una capa de espuma con unapermitividad de 1.08 y un espesor de 1.22 mm y una láminadieléctrica de Neltec con una constante dieléctrica εr de 2.2 y128 µm de espesor. Sobre esta última capa se imprime la formade grano de café metálico con un grosor de 20 µm. La formaresultante de este polarizador de grano de café se compone deun cı́rculo metálico en el que se elimina una zona metálicarectangular, dando lugar a dos segmentos metálicos desunidosenfrentados. Estas dos piezas metálicas desunidas permiten ungrado adicional de libertad en el diseño, ya que los centros delos dos semicı́rculos pueden ser diferentes. Todos los detallesgeométricos del polarizador se muestran en la Fig. 2.A. Estudio de los camposSe puede demostrar que la forma metálica descrita soportados modos dominantes, uno para cada polarización del campo.La Fig. 3a muestra la distribución de la corriente cuandoel campo eléctrico iluminante es paralelo a la ranura central.Se puede observar que la intensidad se concentra principal-mente alrededor de la ranura central. La Fig. 3b muestra ladistribución de la corriente cuando el campo de iluminaciónFig. 4: Variación temporal de la componente tangencial delcampo E en la superficie del polarizador.Fig. 5: Estructura del array 2×2.es perpendicular a la ranura central. En este segundo caso seobserva que las corrientes radiantes se concentran a lo largo delcontorno exterior de ambos segmentos metálicos. Por último,en la Fig. 3c se muestra cómo la ranura central se gira 45◦ conrespecto al campo iluminante. Con esta rotación se consigueun solapamiento de los modos mostrados en la Fig. 3a y enla Fig. 3b.Nótese que la Fig. 3a y la Fig. 3b muestran la direcciónespecı́fica del campo ya que la polarización de las corrientespermanece constante para cualquier instante de tiempo. Esteno es el caso de la Fig. 3c donde la corriente cambia conel tiempo. La Fig. 3 muestra la variación temporal de lacomponente tangencial del campo eléctrico en la superficiedel polarizador. En concreto, se muestran 6 instantes de tiempodiferentes, desde 30◦ hasta 180◦ en saltos de 30◦.III. ARRAY SIMULATED PERFORMANCEPara validar el funcionamiento del polarizador, se utiliza lacelda unidad mostrada en la Fig. 5 como alimentador. En laparte izquierda de la figura, se muestra una vista superior dela red de distribución de alimentación corporativa utilizandouna guı́a de ondas Groove Gap (GGW) de polarización hori-zontal [15]-[20]. Esta red de distribución compacta en formade candelabro también podrı́a concatenar sucesivamente paraalimentar una agrupación mayor. Se utilizan septums en los3−80 −60 −40 −20 0 20 40 60 80−40−30−20−100(φ = 0◦)Angle (degrees)Normalizedamplitude(dB)28 GHz 29 GHz 30 GHz 31 GHz 32 GHz(a)−80 −60 −40 −20 0 20 40 60 80−40−30−20−100(φ = 90◦)Angle (degrees)Normalizedamplitude(dB)28 GHz 29 GHz 30 GHz 31 GHz 32 GHz(b)Fig. 6: Diagrama de radiación simulado RHCP: (a) Planoφ=0◦; (b) Plano φ=90◦.divisores de potencia para maximizar la adaptación de la señal.Además, el GGW cruza en diagonal desde el puerto de entradahasta el primer divisor de potencia para alimentar todos loselementos en fase y también aprovechar el limitado espaciodisponible. En la parte derecha de la Fig. 5, se muestra undespiece de todas las capas que componen la celda básica:Red de alimentación GGW, ranuras y polarizador.A continuación se muestran algunos resultados preliminares.En la Fig. 6 se muestran los diagramas de radiación en losplanos XZ e YZ. Los diagramas de radiación corresponden aun array de 8×8. En la simulación se han utilizado condicionesde contorno periódicas alrededor de la celda unidad de 2×2(Fig. 5). Se observa una gran estabilidad de los diagramas deradiación y una perfecta concordancia con una iluminaciónuniforme en ambos cortes. Naturalmente, a medida que au-menta la frecuencia aparecen lóbulos de difracción en elplano φ=90◦ (plano YZ), sin embargo esto podrı́a mitigarseutilizando estrategias similares a las utilizadas en [13], [17],[21]. Además, hay que tener en cuenta que el ancho de bandade 4 GHz mostrado, corresponde a un 13.3% de ancho debanda relativo.La Fig. 7 muestra la relación axial (AR) del array simulado.Destaca la pureza de la polarización circular a 30 GHz.Además, en la figura aparecen dos zonas sombreadas. El áreacentral limita el rango de frecuencias con una relación axialinferior a 1,5 dB. Las zonas sombreadas de los bordes indicanque se obtiene una AR inferior a 3 dB para toda la banda defrecuencias de funcionamiento (28 a 32 GHz). Finalmente, elcoeficiente de reflexión se presenta en la Fig. 8. En este caso28 28.5 29 29.5 30 30.5 31 31.5 320123Frequency (GHz)AxialRatio(dB)Sim. RHCPFig. 7: Relación axial simulada.28 28.5 29 29.5 30 30.5 31 31.5 32−40−30−20−100Frequency (GHz)ReflectionCoefficient(dB)Fig. 8: Coeficiente de reflexión simulado.la zona donde el S11 es inferior a −15 dB está sombreadadesde 28,5 GHz hasta 31.5 GHz, siendo inferior a −10 dB entoda la banda de trabajo.IV. CONCLUSIONSe ha presentado un elemento impreso en forma de granode café, destinado a transformar el campo radiado con polar-ización lineal de un array de ranuras en uno con polarizacióncircular, en la banda Ka. Se explica el comportamiento de lascorrientes en el polarizador, para describir su buen rendimientocon un ancho de banda de relación axial de 3 dB superior al13%. Además, se utiliza una celda unidad implementada entecnologı́a Gap Waveguide para alimentar el polarizador. Lared GGW de tipo candelabro empleada puede ampliarse paraalimentar arrays más grandes. El polarizador puede ser unabuena solución de bajo coste y fácil integración en FPAs conrestricciones de altura y peso.ACKNOWLEDGMENTEste trabajo ha sido apoyado por el Ministerio de Cien-cia, Innovación y Universidades con el proyecto PID2019-107688RB-C22.4REFERENCES[1] K. X. Wang and H. Wong, “A wideband millimeter-wave circularlypolarized antenna with 3-d printed polarizer,” IEEE Transactions onAntennas and Propagation, vol. 65, no. 3, pp. 1038–1046, 2017.[2] M. Ferrando-Rocher, J. I. Herranz-Herruzo, A. Valero-Nogueira, andB. Bernardo-Clemente, “Full-metal k-ka dual-band shared-aperture arrayantenna fed by combined ridge-groove gap waveguide,” IEEE Antennasand Wireless Propagation Letters, vol. 18, no. 7, pp. 1463–1467, 2019.[3] D. Sánchez-Escuderos, J. I. Herranz-Herruzo, M. Ferrando-Rocher,and A. 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Elemento radiante de banda ancha en forma de grano de café para guías de onda ranuradas con polarización circular

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